陳四利， 趙百超， 侯 芮

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870)

水泥土是通過特制的機(jī)械攪拌，就地將軟土和固化劑(漿液或粉體)強(qiáng)制攪拌，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的水泥加固土[1-2].目前，水泥土作為一種性能較好且比較廉價(jià)的新型建筑材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、飛機(jī)跑道等路基加固工程中.

國內(nèi)外學(xué)者對水泥土的力學(xué)性能展開了廣泛研究，曹智國和申向東等[3-4]探討了水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期、孔隙率等因素對水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響；陳四利和寧寶寬等[5-7]研究了復(fù)雜環(huán)境下侵蝕性離子對水泥土力學(xué)性能的影響；童小東等[8]進(jìn)行了水泥土彈塑性損傷試驗(yàn)研究，探討了水泥土的損傷機(jī)制.

應(yīng)用于北方地區(qū)或季節(jié)性凍土地區(qū)路基工程中的水泥土經(jīng)受反復(fù)凍融作用，必將引起路基中水泥土的疲勞破壞，導(dǎo)致水泥土強(qiáng)度降低，內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化，甚至影響整個(gè)水泥土工程的安全性和耐久性.因此，眾多學(xué)者展開了關(guān)于凍融循環(huán)后水泥土力學(xué)特性研究并取得了諸多有益成果.陳四利等[9]展開了凍融次數(shù)對凍融后水泥土的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、滲透系數(shù)等影響規(guī)律；周麗萍等[10]研究了浮石粉、硅粉對水泥土抗凍性的影響規(guī)律.

對于公路、高速公路、鐵路等水泥土路基，長期受到不同車輛的交通荷載作用，將會(huì)導(dǎo)致水泥土的疲勞破壞.張敏霞等[11-12]探討了頻率和應(yīng)力幅值對水泥土疲勞壽命的影響；江國龍等[13]通過正交試驗(yàn)得出加載次數(shù)和幅值應(yīng)力對水泥土抗壓強(qiáng)度的影響較大，而頻率對水泥土抗壓強(qiáng)度的影響較小的結(jié)論；鹿群等[14]發(fā)現(xiàn)纖維水泥土應(yīng)力水平與疲勞壽命之間呈現(xiàn)單對數(shù)關(guān)系.目前，對于凍融循環(huán)和疲勞荷載雙重作用的水泥土耐久性研究還相對較少，本文對凍融循環(huán)作用下水泥土的力學(xué)性能及凍融后水泥土的疲勞特性展開研究，探討水泥摻量、凍融循環(huán)次數(shù)、冷卻溫度對水泥土抗壓強(qiáng)度的影響，以及凍融次數(shù)、水泥摻量對凍融后水泥土疲勞壽命的影響規(guī)律，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)采用強(qiáng)度等級為42.5的硅酸鹽水泥，試驗(yàn)土樣為粉質(zhì)黏土，試驗(yàn)用土的主要物理力學(xué)指標(biāo)：含水量為16.6%，天然重度為19.7 kN/m3，液限為22.5%，塑限為18.3%，塑性指數(shù)為4.2，液性指數(shù)為-0.4，將試驗(yàn)用土風(fēng)干碾碎并過5 mm篩，試驗(yàn)用水為自來水.

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJT 233-2011)制備邊長為70.7 cm的立方體試件，試驗(yàn)設(shè)定水泥摻量為8%、12%、16%、20%，水灰比取1.0，如圖1所示.為保證在凍融過程中水泥土強(qiáng)度穩(wěn)定，試件在24 h脫模后，放在清水環(huán)境中養(yǎng)護(hù)240 d待用.水泥土試件疲勞加載如圖2所示.試驗(yàn)主要儀器設(shè)備有MTS Landmrk370.25疲勞試驗(yàn)機(jī)(見圖3)、微機(jī)控制電液伺服壓力機(jī)及工業(yè)恒溫冷凍箱.操作界面如圖4所示.

根據(jù)我國寒冷地區(qū)早晚溫度變化，本試驗(yàn)設(shè)定冷凍溫度分別為-20、-15、-10、-5 ℃，采用12 h一次性氣凍，12 h水中融化(15～20 ℃)，24 h為一個(gè)凍融循環(huán).凍融前水泥土試件在清水環(huán)境下浸泡4 d，表面水瀝干后，將處于飽水狀態(tài)下的水泥土試件分別進(jìn)行0、2、4、6次凍融循環(huán)，再進(jìn)行水泥土無側(cè)限抗壓試驗(yàn).

圖1 凍融后水泥土試件Fig.1 Cemented soil specimens after freeze-thaw cycles

圖2 水泥土試件疲勞加載Fig.2 Fatigue loading of cemented soil specimen

圖3 MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)Fig.3 MTS fatigue machine

圖4 操作界面Fig.4 Operation interface

水泥土疲勞試驗(yàn)加載模型為非對稱正弦型加載，應(yīng)力幅值呈階梯型遞增，初始應(yīng)力幅值為-10 kN，最小應(yīng)力為-1 kN，每一應(yīng)力水平持續(xù)200周后，應(yīng)力幅值再增加1 kN，水泥摻量為8%、12%、16%的水泥土試件經(jīng)受凍融循環(huán)作用后分別以2、5、8 Hz的加載頻率進(jìn)行疲勞試驗(yàn)[15].

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 凍融條件下水泥摻量對水泥土強(qiáng)度的影響

水泥摻量對凍融條件下水泥土強(qiáng)度的影響如圖5所示.

圖5 水泥摻量對水泥土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of cement content on compressive strength of cemented soil

由圖5可見，隨著水泥摻量的增加，經(jīng)受不同凍融次數(shù)的水泥土抗壓強(qiáng)度顯著提高.未凍融的水泥土試件，水泥摻量為20%的水泥土試件強(qiáng)度分別是水泥摻量為8%、12%、16%試件強(qiáng)度的2.96、1.84、1.459倍，水泥土試件在養(yǎng)護(hù)240 d后，強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定，水泥水解，水化反應(yīng)充分，水泥摻量越大，生成的水泥凝膠越多，水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊密，抗壓強(qiáng)度提高顯著.凍融2次、4次時(shí)，水泥摻量為20%的水泥土試件強(qiáng)度分別是水泥摻量為8%、12%、16%試件強(qiáng)度的6.26、2.21、1.50、8.85、2.262、1.63倍.凍融6次時(shí)，水泥摻量為8%的試件已經(jīng)破壞，水泥摻量為20%的水泥土試件強(qiáng)度分別是水泥摻量為12%、16%試件強(qiáng)度的3.27、2.25倍.水泥摻量對經(jīng)受不同次數(shù)凍融循環(huán)的水泥土強(qiáng)度影響較大，相同凍融次數(shù)下，水泥摻量越大，強(qiáng)度損失率越小.水泥摻量為8%的水泥土試件已經(jīng)破壞，20%水泥摻量的試件強(qiáng)度仍可達(dá)到9.09 MPa，由此可見，水泥摻量的增加可有效提高水泥土的抗凍性.分析其原因，水泥摻量較小時(shí)，水泥水化產(chǎn)物少，水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)顆粒間粘結(jié)力較小，凍融次數(shù)較多時(shí)，水泥土內(nèi)部凍脹力較大，當(dāng)粘結(jié)力小于凍脹力時(shí)，水泥土強(qiáng)度明顯下降，外觀表皮脫落，結(jié)構(gòu)松散，最終導(dǎo)致水泥土結(jié)構(gòu)破壞，失去承載能力.

2.2 凍融循環(huán)次數(shù)對水泥土強(qiáng)度的影響

在冷凍溫度為-15 ℃條件下，凍融次數(shù)對水泥土抗壓強(qiáng)度的影響如圖6所示.

圖6 凍融次數(shù)對水泥土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of freeze-thaw times on compressive strength of cemented soil

由圖6可見，隨著凍融次數(shù)增多，水泥土抗壓強(qiáng)度逐漸減小，且強(qiáng)度下降明顯.水泥摻量為8%時(shí)，凍融2次、4次時(shí)，強(qiáng)度分別是未凍融時(shí)的39.5%、24.2%，凍融6次時(shí)試件已經(jīng)破壞.水泥摻量為12%時(shí)，凍融2、4、6次較未凍融時(shí)，強(qiáng)度分別下降30.3%、41.3%、66.23%.水泥摻量為16%時(shí)，強(qiáng)度分別下降18.87%、35.07%、45.78%.水泥摻量為20%時(shí)，強(qiáng)度分別下降16.42%、28.57%、39.9%.不同水泥摻量的水泥土強(qiáng)度損失率如圖7所示.

圖7 不同水泥摻量的水泥土強(qiáng)度損失率Fig.7 Strength loss rate of cemented soil with different cement contents

由圖7可見，隨著凍融次數(shù)增加，水泥土強(qiáng)度損失率不斷增大.產(chǎn)生該現(xiàn)象原因，水泥土試件在未凍融前處于飽水狀態(tài)，冷凍時(shí)孔隙中的水結(jié)成冰，體積膨脹約為9%，對孔壁產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)水泥土內(nèi)部的膠結(jié)力小于拉應(yīng)力時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)開始產(chǎn)生微裂紋，并且當(dāng)冰融化后，微小裂紋不能完全復(fù)原，對水泥土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆損傷，水泥土的凍融損傷是一個(gè)不斷累積的過程，凍融次數(shù)增加導(dǎo)致微裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致水泥土結(jié)構(gòu)破壞.水泥土強(qiáng)度降低率為

(1)

式中：Kf為水泥土強(qiáng)度降低率；σn為經(jīng)過n次凍融后水泥土的抗壓強(qiáng)度；σ0為未凍融的水泥土抗壓強(qiáng)度.

2.3 溫度對水泥土強(qiáng)度的影響

將水泥摻量為8%的水泥土試件在不同冷凍溫度下進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，凍融次數(shù)相同時(shí)，溫度對水泥土抗壓強(qiáng)度的影響如圖8所示.

圖8 冷凍溫度對水泥摻量為8%水泥土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖8可見，冷凍溫度越低，水泥土凍融后的抗壓強(qiáng)度越小.凍融2次時(shí)，溫度為-20、-15、-10 ℃較溫度為-5 ℃強(qiáng)度分別降低46.18%、35.85%、27.55%；凍融4次時(shí)，溫度為-20、-15、-10 ℃較溫度為-5 ℃強(qiáng)度分別降低56.70%、47.04%、35.09%；凍融6次時(shí)，冷凍溫度為-20 ℃、-15 ℃已經(jīng)破壞，-10 ℃較-5 ℃強(qiáng)度降低18.42%.這是因?yàn)樗嗤潦軆鰷囟仍降?，與孔隙中水的溫差越大，水放熱越快，水結(jié)冰越快，孔隙中冰的體積不斷擴(kuò)大，對孔壁產(chǎn)生拉應(yīng)力，加速水泥土的凍融破壞.

2.4 凍融次數(shù)對水泥土疲勞壽命的影響

水泥摻量為12%凍融次數(shù)對水泥土疲勞壽命的影響如圖9所示.水泥摻量為12%的水泥土試件在冷凍溫度為-15 ℃的條件下，凍融循環(huán)4次強(qiáng)度損失已達(dá)41.3%，故對凍融2次、4次及未凍融的水泥摻量為12%的水泥土試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn).

由圖9可見，隨著凍融次數(shù)的增加，水泥土疲勞壽命下降顯著，加載頻率2 Hz時(shí)，凍融2次、4次較未凍融時(shí)疲勞壽命下降34.55%、58.38%；加載頻率5 Hz時(shí)，凍融2次、4次較未凍融時(shí)疲勞壽命下降45.75%、74.62%；加載頻率8 Hz時(shí)，凍融2次、4次較未凍融時(shí)疲勞壽命下降33.30%、72%.分析該現(xiàn)象原因，水泥摻量為12%，經(jīng)過2次、4次凍融，抗壓強(qiáng)度損失已達(dá)30.37%、41.03%，內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，在循環(huán)荷載作用下，結(jié)構(gòu)損傷不斷積累，疲勞壽命降低.

圖9 凍融次數(shù)對水泥摻量為12%水泥土疲勞壽命的影響Fig.9 Effect of freeze-thaw times on fatigue life of cemented soil with cement content of 12%

水泥摻量為16%的水泥土試件分別進(jìn)行了2、4、6次及未凍融時(shí)的疲勞試驗(yàn)，水泥土疲勞壽命隨凍融次數(shù)的變化關(guān)系如圖10所示.

圖10 凍融次數(shù)對水泥摻量為16%水泥土疲勞壽命的影響Fig.10 Effect of freeze-thaw times on fatigue life of cemented soil with cement content of 16%

凍融2次時(shí)，加載頻率為2、5、8 Hz較未凍融時(shí)疲勞壽命分別降低44.04%、45.70%、13.17%；凍融4次時(shí)，加載頻率為2、5、8 Hz較未凍融時(shí)疲勞壽命分別降低59.09%、46.16%、31.42%；凍融6次時(shí)，加載頻率為2、5、8 Hz較未凍融時(shí)疲勞壽命分別降低58.75%、54.15%、37.35%.分析該現(xiàn)象原因，根據(jù)損傷累積定律，凍融損傷、疲勞損傷均是不斷累積的過程，凍融次數(shù)增加，對試件產(chǎn)生的損傷破壞不斷累積，使強(qiáng)度降低，抗疲勞能力減小.

2.5 水泥摻量對水泥土疲勞壽命的影響

不同凍融次數(shù)下水泥摻量對水泥土疲勞壽命的影響如圖11～12所示.

圖11 頻率為2 Hz水泥摻量對水泥土疲勞壽命影響Fig.11 Effect of cement content on fatigue life of cemented soil at frequency of 2 Hz

圖12 頻率為5 Hz水泥摻量對水泥土疲勞壽命影響Fig.12 Effect of cement content on fatigue life of cemented soil at frequency of 5 Hz

加載頻率為2 Hz，未凍融時(shí)，水泥摻量為12%、16%是水泥摻量為8%的2.94、5.38倍；凍融2次時(shí)，水泥摻量為12%、16%是水泥摻量為8%的8.60、17.64倍.加載頻率為5 Hz，未凍融時(shí)，水泥摻量為12%、16%是水泥摻量為8%的1.80、3.83倍；凍融2次時(shí)，水泥摻量為12%、16%是水泥摻量為8%的1.74、4.35倍.由此可見，隨著水泥摻量增加，水泥土疲勞壽命增大.分析其原因，水泥摻量越大，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物越多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越密實(shí)，在凍融和未凍融條件下，均可提高水泥土的強(qiáng)度，減少水泥土試件在低應(yīng)力疲勞荷載作用下裂紋的形成，提高水泥土的疲勞壽命.因此，水泥摻量增加可有效提高水泥土的抗疲勞能力.

2.6 試驗(yàn)結(jié)果多元線性回歸分析

應(yīng)用SPSS軟件擬合水泥土抗壓強(qiáng)度、頻率為5 Hz時(shí)疲勞壽命隨水泥摻量、凍融次數(shù)的回歸方程.模型1、2相關(guān)參數(shù)如表1所示.

表1 模型概述Tab.1 Model overview

由表1可知，相關(guān)系數(shù)R1=0.986、R2=0.920，說明與真實(shí)數(shù)據(jù)的擬合度分別為98.6%、92%，Durbin-Watson指數(shù)為1.781、1.329說明各誤差項(xiàng)是獨(dú)立分布的.方差分析中的顯著水平等于0、0.004，小于0.05，說明自變量水泥摻量x1、凍融次數(shù)x2對因變量抗壓強(qiáng)度σ1、疲勞壽命N2產(chǎn)生顯著影響.得到多元線性回歸方程為

σ1=0.812x1-0.966x2-1.823

(2)

N2=0.901x1-0.084x2+2.418

(3)

3 結(jié) 論

本文對凍融條件下水泥土抗壓強(qiáng)度、疲勞特性進(jìn)行研究，得到凍融次數(shù)、水泥摻量、冷凍溫度對抗壓強(qiáng)度、疲勞壽命的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1) 凍融條件下水泥土抗壓強(qiáng)度和疲勞壽命隨水泥摻量的增加而增大，水泥摻量較小(8%)時(shí)，經(jīng)過6次凍融循環(huán)，試件已達(dá)到破壞，水泥摻量的增加可有效提高水泥土的抗凍性、抗疲勞能力；

2) 凍融循環(huán)對水泥土的力學(xué)性能產(chǎn)生不同程度影響，抗壓強(qiáng)度、疲勞壽命均隨凍融次數(shù)增加而降低，在冷凍溫度-15 ℃，水泥摻量為12%凍融循環(huán)4次時(shí)，抗壓強(qiáng)度降低率達(dá)到41.3%，疲勞壽命降低率達(dá)到58.38%，因此，在凍土地區(qū)應(yīng)用的工程設(shè)計(jì)及施工應(yīng)考慮凍融循環(huán)影響；

3) 冷凍溫度越低，水泥土凍融破壞越嚴(yán)重，水泥土抗壓強(qiáng)度隨冷凍溫度的降低而減??；

4) 建立水泥土抗壓強(qiáng)度、疲勞壽命關(guān)于水泥摻量、凍融次數(shù)回歸方程.